摩托车车架模态分析与验证

2011-05-18李先文

重庆理工大学学报(自然科学) 2011年3期

李伟，涂奎，李先文

(1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074;2.隆鑫工业有限公司技术中心，重庆400060)

摩托车在行驶时，主要受到路面和发动机激励。车架作为摩托车的骨架受到各种动载荷和静载荷，其振动特性直接影响整车的振动效果。随着摩托车行业技术以及用户对摩托车舒适性要求的提高，需要对车架的固有属性进行研究［1］。

模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，是所有动力学分析都要考虑的内容，通过它可以得到结构的自然频率、振型、振型参与系数等信息。模态分析的好处有:使结构设计避免共振或以特定频率进行振动(例如扬声器);使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的;有助于在其他动力分析中估算求解控制参数(如时间步长)。由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况，所以在准备进行其他动力分析之前首先要进行模态分析［2］。

针对隆鑫公司的某车架，运用理论和试验2种方法进行模态分析，得到车架的振动特性，并将2种方法的结果进行对比。

1 车架有限元模型的建立

摩托车车架主要由不同截面的管材和板材焊接而成，结构比较复杂［3］。在建立模型的过程中，由于各构件的厚度、壁厚相对于构件的长度来说很小，并且壳单元相对于实体单元计算速度更快、占用内存更少，而计算精度相差很小，从而采取抽取中面的方式建立了壳单元模型［4－8］。由于整个模型极度不规则，为了避免丢失模型的一些几何信息，并考虑计算机的机时，必须定义合理的单元尺寸。网格划分后，单元总数为58 615个，节点数为59 107个，其中三角形单元2 634个，占总单元的4.5%，符合三角形单元的比例要求。车架的有限元模型如图1所示。

图1 车架有限元模型

2 车架理论模态分析

在Ansys中，求解模态的方法有Lanczos法、Subspace法等。Lanczos方法博采众长，运算速度快，输入参数少，特征值、特征向量求解精度高。由于它采用了Sturm序列检查，在用户感兴趣的频率范围内避免了出现丢根的缺陷，故本文用Block Lanczos提取了车架的前14阶模态振型和自振频率。本文只列出前10阶，如表1所示。限于篇幅，只列出了前4阶的振型，见表2。

表1 模态有限元计算结果

3 车架的模态试验分析验证

3.1 模态试验原理

试验模态分析方法就是通过对实际结构进行振动测试，识别出结构模态参数并建立以模态参数表示的结构运动方程。在模态试验中，不同的参数识别方法对频响函数测试的要求不同，因而所选激励方式也不同，一般的激励方式有单点激励、多点激励和单点分区激励等。

对于摩托车车架选择单点激励方式，其试验原理是:用激振器对结构中某一点k施加瞬态脉冲激励Fk，其他点就会产生不同振动响应，如果m点振动响应为am(加速度)，那么比值am/Fk为k、m两点间的传递函数。经数据处理求得各点间的传递函数后，用试验模态分析软件即可识别出结构的模态参数。

3.2 试验系统

测试系统主要包括力锤、ICP型加速度传感器、ICP型力传感器、LMS数据采集前端、THINKPAD微机、LMS TEST.LAB软件。试验系统原理如图2所示。

图2 试验系统

摩托车车架为钢管焊接结构，具有较好的线性特性，因此采用力锤激励。对车架进行自由模态分析，因此用较软的橡皮绳将车架吊起来，使其处于自由状态。

3.3 试验参数设置与激励考虑

试验参数的设置:采样频率2 048 Hz，采样时间1 s，平均次数5次。根据有限元计算结果和摩托车车架的结构，着重考虑10～500 Hz时的频率。数采系统设置通道设置为力锤通道，另外设置12个通道分别为传感器的xyz方向，一次4个测点。

试验模态分析的关键是获得准确的传递函数，测试时主要以2方面作为检验标准:一是力锤的时域信号应该为单一的脉冲时域信号;二是以激励信号和响应信号的相干函数作为检验标准，主要考虑500 Hz下的低频部分，并保证相干函数大于80%。

3.4 测点布置

车架作为摩托车内部载荷和外部载荷的主要载体，测点的布置应该考虑安排的合理性，不能选择驻点，测点间的距离应该恰当，并且测点能够反映出车架的整体几何特征。激励点选在第1点，共布置测点45个，如图3所示，每个测点测量x，y，z这3个方向。试验时使车架处于自由状态，如图4所示。经LMS模态分析软件分析可得到各阶振型，例如第2阶振型如图5所示。